湯霞清 陳書磊 武萌 高軍強(qiáng)

摘 要： 由于多普勒頻移嚴(yán)重影響信號(hào)捕獲，因此使用INS輔助的GNSS信號(hào)捕獲方法，提升接收機(jī)性能。通過分析不同精度INS輔助衛(wèi)星接收機(jī)捕獲的性能，解決了特定條件下捕獲性能問題和慣性器件的選擇問題。比較傳統(tǒng)捕獲算法和INS輔助的捕獲方法的基本原理，分析INS速度誤差、位置誤差對(duì)接收機(jī)多普勒誤差的影響。模擬高動(dòng)態(tài)載體的行駛軌跡，并采用不同精度的INS輔助接收機(jī)捕獲，獲得捕獲性能的指標(biāo)結(jié)果，選出最適合需求的INS的精度等級(jí)。結(jié)果表明，通過選擇的INS輔助，提高了接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲靈敏性，具有極高的性價(jià)比；對(duì)于高動(dòng)態(tài)應(yīng)用條件，該結(jié)果對(duì)組合導(dǎo)航傳感器和型號(hào)的選擇具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： INS輔助接收機(jī)； 衛(wèi)星接收機(jī)； 高動(dòng)態(tài)信號(hào)捕獲； INS； 性能分析； 仿真研究

中圖分類號(hào)： TN911.7?34； V249.328 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）17?0062?05

Abstract： Since the signal acquisition is affected by Doppler frequenter shift greatly， the INS?aided GNSS （global navigation satellite system） signal acquiring method is adopted to improve the performance of receiver. The acquisition performance of the INS?aided satellite receivers with different accuracies is analyzed to solve the acquisition problem and inertial device selection problem under the special condition. The basic principles of the traditional acquisition algorithm and INS?aided acquisition algorithm are compared to analyze the influence of INS speed error and position error on Doppler error of the receiver. The traveling trajectory of the high?dynamic carrier is simulated， and acquired by the INS?aided receivers with different accuracies to get the index of the acquisition performance and select the accuracy level most suitable for the INS. The results show that the INS?aided satellite receiver can improve the acquisition sensitivity of the satellite signal， and has high cost performance， which has the guidance significance for the selection of integrated navigation sensor and its type under the condition of high?dynamic applications.

Keywords： INS?aided receiver； satellite receiver； high?dynamic signal acquisition； INS； performance analysis； simulation research

0 引 言

衛(wèi)星接收機(jī)的研究是當(dāng)前國(guó)防科技發(fā)展的熱點(diǎn)之一，如何提高接收機(jī)捕獲衛(wèi)星信號(hào)的快速性和準(zhǔn)確性更是研究的重點(diǎn)。在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，衛(wèi)星信號(hào)將會(huì)大大減弱，此時(shí)衛(wèi)星接收機(jī)需要更高的性能才能捕獲在高動(dòng)態(tài)、高干擾的環(huán)境下的衛(wèi)星信號(hào)[1]。

解決衛(wèi)星信號(hào)捕獲和跟蹤問題主要可以從兩方面入手，一方面是從采取硬件升級(jí)的方法，另一方面是用例如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等多傳感器進(jìn)行信息的融合，輔助BDS接收機(jī)工作。前者由于對(duì)接收機(jī)天線等硬件設(shè)施的升級(jí)需投入較大的人力物力來研發(fā)，而后者即使較低精度的傳感器也能獲得接收機(jī)較大的性能提升，因此目前多采用慣導(dǎo)系統(tǒng)輔助北斗衛(wèi)星接收機(jī)的組合導(dǎo)航方式進(jìn)行精確可靠的導(dǎo)航定位。文獻(xiàn)[2]研究顯示INS（Inertial Navigation System）輔助捕獲可以有效提升接收機(jī)性能，文獻(xiàn)[3]研究表明INS的精度越高對(duì)接收機(jī)性能提升越好，文獻(xiàn)[4]研究表明高動(dòng)態(tài)下INS輔助的GNSS（Global Navigation Satellite System）接收機(jī)捕獲更快、跟蹤更穩(wěn)定。

本文分析INS輔助接收機(jī)捕獲的原理，推算INS的速度誤差和位置誤差與多普勒誤差和碼相位誤差的關(guān)系；通過仿真載體在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)，采用不同精度的INS進(jìn)行輔助信號(hào)捕獲。通過對(duì)結(jié)果的分析，構(gòu)造出載體在特定的動(dòng)態(tài)條件下，不同INS對(duì)捕獲性能的提升曲線，并選擇出性價(jià)比最優(yōu)的INS。本研究對(duì)組合導(dǎo)航中慣性傳感器的選擇具有指導(dǎo)意義。

1 INS輔助的信號(hào)捕獲分析

1.1 串行二維搜索法

衛(wèi)星接收機(jī)將接收的信號(hào)進(jìn)行中頻采樣后變成中頻信號(hào)，與本地信號(hào)的正弦波和余弦波進(jìn)行相乘混頻，兩路積分后將判決量進(jìn)行判決，檢測(cè)是否存在相應(yīng)的衛(wèi)星信號(hào)，若不存在則改變本地信號(hào)的頻率和碼相位，繼續(xù)進(jìn)行判決。INS和星歷歷書信息可以幫助設(shè)定搜索范圍，從而可以大大減少碼域和頻域搜索的次數(shù)。輔助捕獲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對(duì)式（6）、式（7）得出的結(jié)果取模并進(jìn)行門限判決：如果有足夠強(qiáng)的尖峰出現(xiàn)則實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的捕獲，尖峰出現(xiàn)偽碼相位，而此時(shí)本地載波的頻率則為信號(hào)的載波頻率；否則通過控制器件調(diào)整本地載波頻率和碼相位，直到出現(xiàn)超過檢測(cè)閾值的尖峰為止。

從本質(zhì)上來說，串行相關(guān)滑動(dòng)捕獲算法就是通過不斷改變本地信號(hào)的頻率和碼相位來縮小搜索范圍，最終確定捕獲的信號(hào)[5]。圖2為串行滑動(dòng)相關(guān)搜索視圖。

如果減少預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間和多普勒頻移估計(jì)誤差，那么衛(wèi)星接收機(jī)的信號(hào)捕獲成功率就越大。但預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間的減小將會(huì)導(dǎo)致相關(guān)時(shí)間間隔內(nèi)總采樣點(diǎn)數(shù)的減少，從而造成相關(guān)運(yùn)算中信號(hào)總功率的減小，在一定程度上反而增加了信號(hào)捕獲的難度。因此，通常預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間的選取不會(huì)輕易改變，可以作為折中要素，多普勒頻移誤差是影響信號(hào)損耗和信號(hào)捕獲成功率的主要因素。

當(dāng)檢測(cè)閾值為0.95時(shí)，多普勒誤差小于200 Hz，碼相位誤差小于[14]個(gè)碼片時(shí)，捕獲靈敏度較高，并且計(jì)算可得此時(shí)所需信噪比約為41 dBHz，此時(shí)，誤差越大，所需信噪比的提升越大。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

假設(shè)載體做初速度為340 m/s的高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，平均加速度為2 m/s2，總共運(yùn)行了280 s，衛(wèi)星接收機(jī)的濾波和輸出周期均為1 s，在各個(gè)方向上的方差小于10 m，速度誤差為0.l m/s，速度方差為0.1 m/s。接收機(jī)采用10組不同精度的INS分別進(jìn)行仿真信號(hào)捕獲的輔助，這10組INS涵蓋了MENS級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)和導(dǎo)航級(jí)三個(gè)層次的精度等級(jí)。10組INS的陀螺儀精度和加速度計(jì)精度的組合如表1所示。

B1頻段的載波頻率為1 561.095 MHz，1 ms包含2 046個(gè)碼片，仿真其導(dǎo)航過程中，采用INS單獨(dú)運(yùn)行150 s的信息進(jìn)行輔助捕獲，通過與真實(shí)軌跡的對(duì)比可得多普勒頻移誤差和碼相位偏移誤差。表2為仿真數(shù)據(jù)表。

3 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)仿真得到的INS解算的多普勒頻移誤差和碼相位偏移誤差，可以得到在150 s時(shí)不同精度INS對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的檢測(cè)概率，從而得到接收機(jī)的捕獲靈敏度如表3所示。

通過表1～表3的數(shù)據(jù)，構(gòu)造不同精度INS的捕獲靈敏度的關(guān)系圖，其中[x]軸為陀螺漂移，[y]軸為加速度計(jì)漂移，[z]軸為捕獲靈敏度，如圖5所示。

已知在檢測(cè)閾值為0.95時(shí)，INS解算的多普勒誤差小于200 Hz，碼相位誤差小于[14]個(gè)碼片時(shí)，捕獲靈敏度較高。使用文中的研究方法，通過圖5可以得到，陀螺儀精度更大程度決定了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，并且，當(dāng)捕獲靈敏度約為41 dBHz時(shí)，使用55 （°）/h精度的陀螺儀能取得較好的捕獲結(jié)果。如果考慮性價(jià)比因素和圖5所示的結(jié)果，采用10 mg精度的加速度計(jì)組成的慣導(dǎo)儀器輔助捕獲，可以獲得較好的捕獲性能，捕獲時(shí)間較短，且性價(jià)比較高。

利用此精度的INS進(jìn)行總時(shí)間為600 s的不同軌跡的高動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)，初始速度為0，最大加速度為10 m/s2，轉(zhuǎn)向最大角速度為30 （°）/s，最大速度300 m/s以上，仿真軌跡如圖6所示。

INS單獨(dú)運(yùn)行150 s輸出的信息進(jìn)行輔助捕獲，最終得出加入選定INS輔助與無輔助的捕獲靈敏度對(duì)比如圖7所示。

由圖7可以看出，使用預(yù)先選定的INS可以明顯提升接收機(jī)的捕獲靈敏度4～5 dBHz。將有無INS輔助捕獲進(jìn)行量化對(duì)比，見表4。通過INS和星歷的輔助，可以使捕獲運(yùn)算量能下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，使接收機(jī)更快地捕獲到衛(wèi)星信號(hào)。

假設(shè)北斗接收機(jī)的檢測(cè)概率[Pd]為0.95，虛警概率[Pfa]為0.01，并且時(shí)域捕獲時(shí)積分時(shí)間為1 ms，接收機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘為5.714 MHz，無INS輔助時(shí)所需時(shí)間大于180 s，而有INS輔助的捕獲時(shí)間小于2 s。所以通過所選擇的INS輔助可以大幅度縮減衛(wèi)星信號(hào)的捕獲時(shí)間。INS輔助接收機(jī)捕獲信號(hào)的效果顯著。

4 結(jié) 論

為了使衛(wèi)星接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)條件下性能提升幅度較大，并且考慮價(jià)格和工藝等多種因素，采用多組不同精度INS分別輔助接收機(jī)捕獲信號(hào)。結(jié)果表明，誤差為55 （°）/h的陀螺儀和10 mg的加速度計(jì)組成的慣導(dǎo)設(shè)備在高動(dòng)態(tài)條件下能大幅提高接收機(jī)的捕獲靈敏度，減少了計(jì)算量，并縮短捕獲時(shí)間，在價(jià)格上也有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

此研究為組合導(dǎo)航研究中高動(dòng)態(tài)下慣導(dǎo)器件的選擇提供了參考，為設(shè)計(jì)出價(jià)格更低、精度更高的組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義。同時(shí)，對(duì)于提高部隊(duì)武器裝備的制導(dǎo)能力和精確制導(dǎo)具有重要意義。

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